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    噴氣燃料中微生物污染的研究概況

    2015-10-21 18:55:34楊浩熊云和倩倩龍泉芝李曉然
    當(dāng)代化工 2015年6期
    關(guān)鍵詞:噴氣油罐硫酸鹽

    楊浩 熊云 和倩倩 龍泉芝 李曉然

    摘 要:噴氣燃料微生物污染會造成嚴(yán)重危害,對于飛行安全和油料儲存安全都是巨大威脅。針對噴氣燃料中主要微生物(枝孢霉菌和硫酸鹽還原菌)、微生物引起的危害、微生物檢測方法以及防治措施四個方面進(jìn)行了介紹,并對噴氣燃料中微生物的研究進(jìn)行了展望。

    關(guān) 鍵 詞:噴氣燃料;微生物;危害;檢測方法;防治措施

    中圖分類號:X 131 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1671-0460(2015)06-1377-04

    Research on Microbial Contamination of Jet Fuel

    YANG Hao, XONG Yun, HE Qian-qian, LONG Quan-zhi,LI Xiao-ran

    (Dept. of Oil Application & Management Engineering,Logistical Engineering University of PLA,Chongqing 401311,China)

    Abstract: The microbial contamination of jet fuel can cause serious problems, and it is a great threat to flight safety and storage security. In this paper, main microbes in jet fuel (hormoconis resinae and sulfate reducing bacteria) were discussed; problems caused by microbial contamination were introduced as well as microbial detection methods and microbial contamination control.

    Key words:Jet fuel; Microbial contamination; Problems; microbial detection methods; Microbial contamination control

    最早發(fā)現(xiàn)噴氣燃料微生物污染問題是在上世紀(jì)30年代,有研究者發(fā)現(xiàn)噴氣燃料中細(xì)菌產(chǎn)生的H2S會加速飛機(jī)燃料系統(tǒng)的腐蝕[1]。接著Bushnelland Haas等發(fā)現(xiàn)燃料儲存罐底部水相中有微生物的存在,他們發(fā)現(xiàn)這些微生物可以將噴氣燃料中烴類作為碳源[2]。上世紀(jì)50年代末到60年代初航空煤油中的微生物問題被廣泛報道[3]。Neioef等發(fā)現(xiàn)枝胞霉菌可以代謝燃料中的烴,并可以在含水量很低的燃料中存活幾個月[1]。Ferrari等在1990-1996期間收集的幾百個航空渦輪燃料JP-4樣品,分析微生物污染的出來,主要微生物污染為:油相中的枝孢霉(Hormoconis resinae)及曲霉(Aspergillus Fumigatus)和水相中的假單胞菌屬(Pseu-domonas)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、氣單胞菌屬(Aeromonas),而且80%的水相樣品中都分離出了硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria)[4]。另外Passman等在1992-1996年之間調(diào)查的四百個煉油廠、零售商的汽油儲存罐中發(fā)現(xiàn)60%的樣品存在明顯的微生物污染[5]。我國從2009年下半年開始,對北京、天津、上海虹橋和廣州等4個機(jī)場油料公司,進(jìn)行微生物污染的監(jiān)控,監(jiān)控結(jié)果發(fā)現(xiàn),微生物污染問題確實存在[6]。

    1噴氣燃料中微生物種類

    噴氣燃料中微生物種類很多,可分為三類,1.真菌:樹脂枝孢霉(Hormoconis resinae)、擬青霉(Paecilomyces Varioti)、煙曲霉(Aspergillus Fumigatus)等。2.細(xì)菌:假單胞桿菌(Pseu-domonas)、弧菌(Vibrio)、芽孢桿菌(Bacillus),硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria)等 。3.酵母菌:紅酵母(Rhodotorula)、假絲酵母(Candida)、球擬酵母(Tomlopsis)等[7]。綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),對噴氣燃料質(zhì)量以及儲存影響最嚴(yán)重的主要是枝胞霉菌(Hormoconis resinae)和硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria)[8-14]。

    1.1 枝孢霉菌

    枝孢霉菌是最早從油品污染物中分離出來的真菌之一,同時也是最常見的真菌。它主要以油品中碳鏈長度為8~20的烴為碳源[15]。枝孢霉菌可以在油品中產(chǎn)生孢子,并且這些孢子可以在無水的環(huán)境下存活幾年。有研究表明,枝孢霉菌在25 °C條件下只需游離水的濃度為80×10-6,便可在燃料中生存。枝孢霉菌生長最適宜溫度為25~30 °C,最適宜pH為3.5~6[16]。在瓊脂培養(yǎng)基上,枝孢霉菌菌落的顏色從淺棕色到灰棕色再到橄欖綠色[17]。袁祥波等在微生物污染比較嚴(yán)重的噴氣燃料中,分離出來的微生物真菌主要為枝孢霉菌,并對噴氣燃料懸浮物和真菌之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)枝孢霉菌是引起噴氣燃料懸浮物的重要原因之一[18]。

    1.2 硫酸鹽還原菌

    硫酸鹽還原菌(Sulfate Reducing Bacteria)種類繁多,并廣泛存在于自然界中,它是一類可以將硫氧化物以及元素硫還原成硫化氫的這類細(xì)菌的總稱。硫酸鹽還原菌主要存在于水相以及底部淤泥中,基本上為厭氧型細(xì)菌[19]。Hector F.等利用16rRNA技術(shù)對硫酸鹽鹽還原菌種系進(jìn)行研究,將硫酸鹽還原菌分為四類:革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、嗜熱細(xì)菌和嗜熱古細(xì)菌[19]。硫酸鹽還原菌適宜pH為5~9,適宜溫度范圍也很大,一般認(rèn)為30 °C為最適宜溫度[20]。研究發(fā)現(xiàn),硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的硫化氫會增加油品酸性, 這不僅會降低噴氣燃料品質(zhì),還會腐蝕輸油管道以及油罐金屬壁,對儲油安全造成嚴(yán)重威脅[21]。另外研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的硫化物還可以腐蝕飛機(jī)含銀的零部件,這對飛行安全造成不可預(yù)知的風(fēng)險[22]。美國1991年的一份調(diào)查報告表明:每年由硫酸鹽還原菌造成的腐蝕損失高達(dá)到60億美元[23]。

    2 微生物引起的危害

    通常情況下油相和罐底水相中微生物的接觸時間很少,所以不會造成燃料化學(xué)性質(zhì)的變化。儲油罐中油相遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底部的水相,而且油相中缺少微生物生長所必需的無機(jī)養(yǎng)分。因此大多數(shù)情況下,微生物活動范圍只限于底部水相和油水界面。但隨著儲油時間的增長,特別是在那些維修保養(yǎng)不好的油罐中儲存的燃料,油品的品質(zhì)以及儲油安全都將受到影響。

    微生物污染的危害可以分為兩個方面:(1)微生物生長引起的危害;(2)微生物代謝引起的危害[9,24]。

    2.1 微生物生長引起的危害

    絲狀真菌和可產(chǎn)生胞外聚合物的細(xì)菌會生成緊密菌膜以及淤泥,這些會堵塞過濾器、輸油管和一些小孔徑零件,造成機(jī)器失靈[25]。這些菌膜和淤泥還會堵塞油罐的排水系統(tǒng),使得底部水分不能有效排除。另外,菌膜可以減少或者阻止殺菌劑進(jìn)入油罐底部的水相中,并且底部的淤泥可以吸收部分殺菌劑,使其失去活性,這些都會降低殺菌劑的效果,從而在一定程度上促進(jìn)了微生物的生長[9]。飛機(jī)油箱油量探針附近微生物產(chǎn)生的淤泥會造成飛機(jī)油料表的失靈,另外懸浮物會在燃油控制噴嘴處發(fā)生團(tuán)聚, 導(dǎo)致管口堵塞, 發(fā)熱, 進(jìn)而有可能損害渦輪發(fā)動機(jī), 造成嚴(yán)重的后果[26]。

    2.2 微生物代謝引起的危害

    2.2.1 微生物的腐蝕作用

    微生物代謝產(chǎn)生一些腐蝕性產(chǎn)物:有機(jī)酸、硫化氫、氨以及硫酸等。這些腐蝕性產(chǎn)物不僅會腐蝕金屬壁和零件,也可以降解一些復(fù)合有機(jī)材料,比如橡膠管和以及油罐密封圈,并會加速沉積物的生成[10,27]。這些腐蝕性產(chǎn)物還會破壞油罐保護(hù)涂層,這樣裸露部分和覆蓋部分就形成了陽極和陰極,形成電化學(xué)腐蝕[28]。部分好氧的微生物代謝過程中消耗氧氣,造成局部缺氧,電子從氧含量低的部位流向含氧量的部位,造成局部腐蝕[29,30]。貼在這里正文內(nèi)容覆蓋粘貼在這里正文內(nèi)容覆蓋粘貼在這里正文內(nèi)容覆蓋粘貼在這里。

    2.2.2 降低油品品質(zhì)

    有些微生物會利用燃料中部分添加劑作為生長的營養(yǎng)組分,隨著添加劑的消耗,燃料性質(zhì)發(fā)生了改變,進(jìn)而降低了燃料品質(zhì)。微生物的部分代謝產(chǎn)物如硫化物、有機(jī)酸等會增加油品酸值[27]。一些特定的厭氧菌產(chǎn)生的表面活性劑會造成油水界面的乳化。這些表面活性劑會降低油料的表面張力進(jìn)而影響燃料燃燒或點火性能,并可能引起聚合器失靈[31]。絲狀微生物和其代謝產(chǎn)物纏繞會增加噴氣燃料懸浮物的含量,降低噴氣燃料品質(zhì)[9,32]。

    3檢測方法

    (1)國際航空運輸協(xié)會推薦了四種檢測方法:英國ECHA 微生物學(xué)有限公司開發(fā)的MicrobMonitor2?法;芬蘭奧林診斷公司開發(fā)Easicult Combi法;英國生物學(xué)分生孢子有限公司開發(fā)的FUELSTATTM resinae法;德國默克集團(tuán)開發(fā)的HY-LiTE Jet A1燃料檢驗法[33]。前兩種為傳統(tǒng)菌落形成單位檢測方法,根據(jù)菌落計數(shù)來進(jìn)行定量分析,進(jìn)而評定污染等級。FUELSTATTM resinae為免疫檢測,可以快速檢測酵母菌、霉菌和需氧細(xì)菌。HY-LiTE Jet A1燃料檢驗測量燃料、水或二者混合物樣品中的ATP總量,來確定微生物污染程度[33]。

    (2)熒光免疫檢驗法:這是一種快速、高靈敏度的用來鑒定微生物污染的方法,但是這種方法需要配備相應(yīng)的設(shè)備并且需要專業(yè)的操作人員。Gaylarde 等用熒光檢測法來鑒定航空煤油中的枝胞霉菌[34]。這種方法很少和其其它真菌有交叉反應(yīng)。枝胞霉菌的菌絲和孢子可以在菌膜中檢測到[34-35]。

    (3)基因分析檢測技術(shù):利用微生物特征序列如16S和18SRNA等,來特異性檢測微生物污染的方法。這種方法的優(yōu)點是準(zhǔn)確、特異性強(qiáng),而且檢測線一般較低,靈敏性高[36,37,38]。Hector F.等利用16srRNA基因分析技術(shù)對SRB進(jìn)行了種系分析,將不同種類的SRB進(jìn)行分類[19]。袁祥波等利用18srDNA基因分析技術(shù)特征性檢測噴氣燃料中枝胞霉菌的存在[18]。劉金彪等利用16srDNA基因分析技術(shù)分離2珠石油降解菌[39]。

    (4)代謝產(chǎn)物檢測技術(shù):利用化學(xué)方法檢測微生物代謝產(chǎn)物來判定相應(yīng)微生物的存在與否,以及污染程度。例如曹公澤等根據(jù)檢測到的乙酸濃度來確定微生物含量[40],JIASONG FANG等檢測油料中酯類、脂肪酸、硫酸根和硝酸根來推斷燃料中微生物的存在,并借以對其代謝作用進(jìn)行研究[41]。包木太等通過酸、生物表面活性劑等檢測,來研究微生物的活動[42]。T. Schleicher等根據(jù)酸值和游離脂肪酸含量的檢測來推斷微生物生長狀況和污染水平[43]。

    (5)PCR技術(shù):即聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng),是指在DNA聚合酶催化下,以母鏈DNA為模板,體外復(fù)制出與母鏈DNA互補的子鏈DNA的過程。Lt. Tracy R等利用qPCR技術(shù)檢測噴氣燃料中微生物的存在,并將微生物進(jìn)行分類[44]。Gitika Panicker等利用PCR技術(shù)分離出28種可以降解烴的細(xì)菌[45]。LaMontagne, M.G等利用PCR技術(shù)對微生物種群進(jìn)行分析研究[46]。Sharkey F.H.等利用熒光定量PCR技術(shù)來對細(xì)菌進(jìn)行定量檢測[47]。

    4 微生物防治措施

    4.1 日常維護(hù)

    防治微生物污染最好而且最重要的辦法就是做好日常維護(hù)。越早發(fā)現(xiàn)微生物污染問題,處理起來就越簡單,代價就越小。合理規(guī)劃的清潔和日常維護(hù)(包括水分和有機(jī)殘片的的清理,微生物檢測以及清除微生物產(chǎn)生的沉淀)可以有效防止油品發(fā)生嚴(yán)重的微生物污染。對于微生物重度污染的噴氣燃料,需要對油罐進(jìn)行徹底清洗,驅(qū)除菌膜和淤泥,并重新涂刷防護(hù)涂層[16,27,48]。

    4.2 噴氣燃料中水分控制

    水是是微生物生長的必需組分。杜絕微生物污染的關(guān)鍵是防止水分進(jìn)入,盡量排除油罐中的水份。?中國民用航空油料條例?規(guī)定加入飛機(jī)油料水分不超過30×10-6 [49]。南國枝等發(fā)現(xiàn)噴氣燃料中水分控制在比重在21.6×10-6時,可有效控制懸浮物的生成[50]。當(dāng)噴氣燃料從舊油罐轉(zhuǎn)移到新油罐的之前,都要先經(jīng)過濾系統(tǒng)(5 μm 濾徑)過濾掉微?;蛘邞腋∥铮缓笤偻ㄟ^聚凝器去掉所有游離水[9,16]。另外,還可以通過控制油罐呼吸來降低噴氣燃料含水量,例如:蘇鵬等利用富氮裝置來降低罐頂空氣濕度和含氧量[51],龍泉芝等在罐頂呼吸閥安裝干燥裝置來降低空氣中的濕度[52]。定期過濾噴氣燃料可以排除噴氣燃料中游離水和外來雜質(zhì),但是需要注意的是過濾裝置要定期清洗和更換。

    4.3 使用殺菌劑

    大量事實證明,殺菌劑用來預(yù)防和治理噴氣燃料微生物污染,既經(jīng)濟(jì)又方便,從而得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。Melton等發(fā)現(xiàn)長期儲存的燃料,運用機(jī)械過濾和殺菌劑組合的方法能夠更好地防治微生物污染[53]。如果儲油罐中含有大量菌膜和淤泥,那么在使用殺菌劑之前需要提前將這些污染物清除,以達(dá)到最好的使用效果。目前殺菌劑的種類很多,主要有氧化型殺菌劑、非氧化性殺菌劑、復(fù)合型殺菌劑、水不溶性殺菌劑以及多功能殺菌劑[9]。目前通過飛機(jī)和發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商許可的殺菌劑是:Biobor JF,即95%的二氧硼雜與4.5%的石腦油的混合物;Kathon FP1.5,組成是1.5%的氯代和甲基-異噻唑啉酮、88.0%~90.0%的二丙二醇、1.7%~1.8%的硝酸鎂、0.9%~1.0%的氯化鎂和5.0%~6.0%的水的混合物[33]。

    5 展 望

    噴氣燃料微生物污染問題已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,針對微生物種類和危害進(jìn)行了廣泛研究。為了有效監(jiān)控微生物污染,需要建立更加迅捷、方便、成本更低的的快速檢測方法。另外,還需要建立整套噴氣燃料防治微生物污染方法,做到能夠更好地貼近實際,尤其方便基層工作者進(jìn)行實施。再者,盡管各大航空協(xié)會和部分國家都有自己的標(biāo)準(zhǔn),但現(xiàn)在依然缺少廣泛接受的微生物污染程度評價標(biāo)準(zhǔn)。雖然越來越多的證據(jù)表明微生物是引起噴氣燃料懸浮物產(chǎn)生的重要原因之一,但是我們國家對噴氣燃料微生物的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這主要是由于對于微生物污染機(jī)理研究不深入造成的。所以,下一步研究的重點應(yīng)該放在兩方面:

    (1)微生物污染機(jī)理研究,包括:腐蝕機(jī)理、產(chǎn)生懸浮物的機(jī)理、改變噴氣燃料性質(zhì)的機(jī)理。

    (2)建立微生物污染程度評價標(biāo)準(zhǔn)。這就要求建立切實可行、準(zhǔn)確的噴氣燃料微生物定量或半定量分析方法。在系統(tǒng)微生物污染機(jī)理研究基礎(chǔ)上結(jié)合噴氣燃料微生物定量或半定量分析,這樣建立的微生物污染評價標(biāo)準(zhǔn)才會更加準(zhǔn)確且具有可信度。

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